Ingeniería Mecatrónica (Lic.)
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Item Diseño de un ventilador mecánico de presión negativa tipo coraza para el tratamiento de las enfermedades pulmonares obstructivas crónicas en personas adultas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-04-04) Venturo Ascasibar, Marcos Alexander; Vilcahuamán Cajacuri, Luis AlbertoLa presente investigación se centró en el desarrollo de un ventilador mecánico de presión negativa no invasivo tipo coraza, para el tratamiento de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) en adultos. Este dispositivo se diseñó mediante simulaciones basadas en modelos matemáticos y la selección de componentes electrónicos y mecánicos. Su funcionamiento se basa en suministrar una fuerza de succión al tórax a través de una coraza conectada a este. El actuador, como un motor o compresor, proporciona esta fuerza para expandir y contraer el tórax y el diafragma durante el ciclo respiratorio. La necesidad de diseñar este tipo de ventilador mecánico surge debido a las carencias en el equipamiento de las instalaciones de atención médica y los altos costos de los tratamientos para enfermedades respiratorias, que se hicieron evidentes durante la pandemia de COVID-19. Este modelo es capaz de generar una presión entre los 20 y – 20 cmH2O, con una frecuencia respiratoria entre los 25 y 35 rpm para su uso en pacientes con EPOC que requieran de una terapia no invasiva con una coraza. Se empleo la metodología VDI 2206, la cual indica las pautas para el desarrollo de proyectos mecatrónicos. Se hizo un análisis de las problemáticas para requerir un ventilador a presión negativa y las tecnologías existentes actualmente. Además, se explica los fundamentos de la mecánica respiratoria y la tecnología de los ventiladores mecánicos. En base a lo anterior, y junto a la lista de requerimientos se determinó que la alternativa más viable era usar un motor junto a un impeller, controlado por un microcontrolador y que se pueda interactuar con una pantalla táctil. Posteriormente, se realiza el diseño electrónico con la selección de componentes; el diseño mecánico con la elaboración del impeller y de control para obtener un modelo matemático de todo el sistema. Finalmente, se procede realizar la simulación mediante software del modelamiento matemático, el diseño en 3D del sistema mecatrónico y el control PID de la presión generada, para luego evaluar la viabilidad económica de la fabricación y el costo de los componentes seleccionados.Item Diseño mecatrónico de un dispositivo para la rehabilitación pasiva de la rodilla(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-22) Castro Villanueva, Diego; Elias Giordano, Dante AngelEl presente trabajo de tesis consiste en el diseño de un dispositivo que realice los movimientos correspondientes a la fisioterapia pasiva de rehabilitación de rodilla. El trabajo está basado en la metodología VDI 2221, la cual establece los pasos a seguir para el desarrollo de sistemas mecatrónicos. La estructura del dispositivo diseñado cuenta con 2 eslabones articulados por un extremo en común, cada eslabón tiene forma de canastillo y el paciente reposará su muslo y pierna en estos, se usará un ajuste mediante velcro para mantener estos segmentos de la extremidad fijados al dispositivo. El movimiento de flexión y extensión de la rodilla será realizado mediante un servomotor ubicado en la unión articulada de los eslabones; la cual está, a su vez, ubicada al nivel de la rodilla del paciente. El servomotor entregará el torque necesario para movilizar la pierna mientras el muslo se mantiene fijo en reposo. El diseño que se obtuvo como resultado no requiere de gran espacio para su uso y la mayoría de sus piezas son de materiales de baja densidad. Se realizaron simulaciones de esfuerzos y deformaciones usando el software Autodesk Inventor para verificar que la estructura del dispositivo no falle. Además, el diseño permite guardar un registro de uso del dispositivo con el fin de monitorear el avance del paciente, y puede ser usado por medio de una aplicación en un Smartphone. Finalmente, se realizó una estimación de los costos involucrados para el desarrollo del dispositivo, esto involucra el costo de diseño (S/. 5,840.00) y el costo de fabricación (S/. 3,437.55), esto representa una suma total de S/. 9,277.55.Item Diseño de un sistema de prótesis de antebrazo y muñeca de 3 grados de libertad con actuadores de soft robotics(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-12-12) Chero Arana, Brian Alberto; García Sulca, José GustavoEl presente trabajo presenta una prótesis de antebrazo que integra elementos de soft robotics para lograr una prótesis de muñeca capaz de mover una mano con tres grados de libertad, al igual que su contraparte real. Inicialmente se realizó un estudio previo para identificar los movimientos de una muñeca a emular y recopilar modelos existentes de prótesis de antebrazo como parte del estado del arte. A partir de esto se propuso un diseño de prótesis de antebrazo capaz de emular dichos tres movimientos de la muñeca mediante la integración de músculos artificiales neumáticos y otros componentes electrónicos. A continuación, se procedió a realizar el diseño definitivo del sistema. Para ello se realizó una lista de los componentes requeridos en cuanto a sensores, actuadores y controladores. Por cada componente se recopilaron posibles modelos comerciales disponibles, y se seleccionó el más adecuado teniendo en cuenta las características deseadas según las condiciones de trabajo. Además, se realizó el modelado de la estructura de la prótesis y de los subsistemas involucrados mediante el software de diseño mecánico Autodesk Inventor. La prótesis de antebrazo desarrollada es un dispositivo portátil capaz de trabajar de manera continua por aproximadamente 6 horas, el cual cuenta con todos los elementos requeridos para realizar las tareas deseadas. Por último, se estima el costo total de la prótesis, incluyendo el costo de sus componentes electrónicos y mecánicos, elementos de pernería y cableado, y su manufactura, obteniendo un total de S/. 2222.30, el cual aumenta a S/. 10522.30 al incluir costos de diseño y ensamble. Además, se realizan simulaciones acerca del comportamiento del sistema mediante el uso de software como Autodesk Inventor o la herramienta de simulación ANSYS. Del mismo modo, se exploran las pruebas experimentales requeridas para validar el funcionamiento de un músculo artificial para futuras pruebas experimentales de este elemento.Item Diseño de un dispositivo de rehabilitación portátil de codo para personas con epicondilitis lateral(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-11-27) León Villar, Máximo Carlosmartín; Abarca Pino, Victoria ElizabethEn el presente trabajo se ha realizado el diseño de un dispositivo de rehabilitación portátil de codo para personas de 1.50 a 1.75 m, con un peso máximo de 80 kg. que padezcan de epicondilitis lateral que hayan concluido con el proceso inflamatorio de la zona afectada. Este dispositivo cuenta con dos terapias pasivas de codo y antebrazo, y una terapia activa de muñeca donde el paciente controla el movimiento. Se cuenta con sensores de carga permiten realizar estimaciones a un microcontrolador maestro para monitorear la fuerza de apriete ejercida por el paciente y el torque que realiza su muñeca. Los resultados obtenidos de fuerza y torque, permiten visualizar cómo el usuario se recupera de la lesión y fortalece la zona previamente afectada teniendo como resultado una menor probabilidad de recaer en esta afección de codo. El dispositivo se sujeta al miembro afectado del paciente mediante correas de uso médico de nylon y franela evitando la irritación en la piel de los pacientes. Así mismo, el deslizamiento de los cilindros de extensión permite regular la posición del apoyo de antebrazo. La velocidad y rangos de movimiento son ingresados a través de la pantalla táctil, y esta misma permitirá la visualización del progreso del paciente. Utilizando la metodología VDI 2221 de la Norma Alemana se realizó el estado del arte, que incluye los conceptos anatómicos para comprender la zona afectada y la lesión, así como el estudio de dispositivos existentes en el mercado, patentes y proyectos. Con la información obtenida se detallaron los requerimientos del dispositivo y se plantearon los conceptos de solución para obtener el proyecto preliminar. Posteriormente, con el estudio del ámbito mecánico, eléctrico-electrónico y de control, se seleccionaron y diseñaron los componentes necesarios. Finalmente se integra el sistema, se crea la lista de planos y se realiza una estimación de costos de diseño y fabricación del dispositivo.Item Diseño de una silla de ruedas con sistema de posicionamiento bípedo para personas parapléjicas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-27) Carretero Karretero, Camilo Marcelo; Elías Giordano, Dante ÁngelEn el presente trabajo de tesis desarrolla el diseño de una silla de ruedas con sistema de posicionamiento bípedo para personas parapléjicas. Haciendo uso de la metodología de la norma alemana VDI2221, se abarca principalmente el diseño de la silla con movimiento manual y el sistema de elevación mediante un actuador lineal, el cual es activado por el usuario a través de un mando de control diseñado. Primero se realiza una síntesis del trabajo de investigación previo a este, en el cual se menciona la problemática, el estado del arte y tecnologías previas, los requisitos del sistema a diseñar y la propuesta de solución conceptual tomada como base para comenzar con el desarrollo. Luego, se desarrollan las consideraciones preliminares geométricas, de velocidades y fuerzas, seguido del diseño mecánico de la silla y la selección del actuador a utilizar. En la sección electrónica y de control se describe la lógica que sigue el sistema durante su funcionamiento, luego se realiza la selección de los componentes electrónicos, el cálculo de potencia junto con la selección de la batería que energiza el sistema y el diseño de la caja electrónica, la caja que contiene el acelerómetro y el mando de control. Para finalizar el diseño se presenta la integración total de la silla, esto es realizado junto con la selección de las partes restantes como las ruedas o los frenos, también se menciona la nomenclatura y presentación de los planos. Finalmente, se presenta todo lo relacionado a los costos, se hace un cálculo de los costos de diseño, de este se obtiene S/17,200.00 para ello. Luego se realiza el cálculo de los costos de fabricación, el cual es dividido en costos de componentes electrónicos, pernería, materiales y procesos de manufactura, obteniendo de la suma un total de S/20,725.00 necesarios para la fabricación de la silla.Item Diseño de un sistema de impresión de troquelados para suturas quirúrgicas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-20) Quiroz Rodriguez, Rafael Angel; Muñoz Salas, KarolLa manufactura de suturas quirúrgicas en el país es una actividad creciente y requiere de mano de obra para desarrollarla, sin embargo, al ser productos estériles es necesario contar con equipos que usuarios puedan operar de manera que no entren en contacto con el producto. Así es como la actividad de imprimir sobre los empaques requiere el diseño de un dispositivo que permita trabajar con formas irregulares y de forma continua. Debido a esta necesidad, el objetivo de este proyecto era diseñar una impresora con la capacidad de imprimir sobre un grupo de cartulinas de formato no rectangular, conocidas como troquelados. La adaptabilidad del diseño permite configurar los soportes si se desea cambiar de forma o tamaño de troquel. Y usando el principio de impresión por termotransferencia alcanzar velocidades constantes de impresión de 10 mm/s. La metodología en la que se basó el desarrollo de este documento es el indicado por la norma alemana VDI 2206 y presentada por la Asociación de Ingeniero Alemanes, donde se plantea el desarrollo de productos mecatrónicos en diversas etapas (Gausemeier, 2002). El trabajo se dividió en tres partes principales: la definición del problema y sus antecedentes, el diseño conceptual y un diseño integral del sistema. Siendo el ultimo donde se ha desarrollado un sistema mecatrónico para la impresión de troquelados de suturas, con la particularidad de permitir la impresión en blanco y negro sobre troquelados de diversas formas a una velocidad de aproximada de 4 troquelados por minuto. Con este sistema se ha reducido el costo de impresión y tiempo en el proceso de codificado de las suturas quirúrgicas, además de minimizar la probabilidad de contaminación de los empaques al reducir el contacto humano. Con lo cual se sugiere la implementación del prototipo en planta para analizar la viabilidad del proyecto y las posibles recomendaciones y mejoras para futuras investigaciones.Item Diseño de un guante con movimiento independiente por cada dedo basado en tecnología de soft robotics para el apoyo en el proceso de rehabilitación de manos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-02-21) López Junchaya, Anders Jeanpierre; García Sulca, José GustavoEl presente documento presenta el diseño del prototipo de un dispositivo de rehabilitación para manos a través de movimientos independientes de cada dedo, el objetivo principal de este dispositivo es la realización de ejercicios que propicien la recuperación de los músculos de la mano luego de sufrir una lesión. Para conseguir esto, primero, se definió el problema y se propusieron objetivos específicos que servirían para verificar el avance, así como se limitó el alcance del proyecto. A continuación, se realizó una búsqueda de datos que servirán como base al momento de diseñar el producto, así como buscar productos ya existentes que puedan servir como base o comparación con el planteado en el presente. Luego de ello, se estableció una lista de requerimientos del proyecto, en base a esta se tiene que realizar el concepto de diseño del proyecto. Posteriormente, se realiza la descomposición de funciones a través del árbol de funciones y medios que facilita la elección de estos últimos para cada función mencionada. En las últimas etapas de la metodología a seguir, se realizan diversas arquitecturas y diagramas, esto con la finalidad de mostrar cómo interactúan los diversos medios elegidos, tanto como sistema mecánico como el flujo de la información. Una vez obtenido el diseño conceptual, se procede a la implementación: primero, se realiza el diseño de los subsistemas (electrónico, control, mecánico y neumático); segundo, se procede a la selección de elementos y cálculo del costo del proyecto; finalmente, se realizan las pruebas para verificar el funcionamiento del prototipo. En conclusión, se obtuvo el diseño conceptual, luego se implementó el prototipo, se empleó también un controlador PI para llevar los dedos a las posiciones deseadas, obteniendo así un prototipo que cumple con el movimiento independiente de cada dedo como es requerido.Item Diseño de un módulo de ensayos para prótesis transtibial que permita emular condiciones de marcha en superficies planas, inclinadas y con irregularidades(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-02-07) Chávez Vera, Jhon Elton; Abarca Pino, Victoria ElizabethActualmente, diversos laboratorios están implementando módulos de ensayo que permitan evaluar el funcionamiento de prótesis de miembro inferior sin la intervención de un paciente. Esto se debe a que no existe un estándar para evaluar la funcionalidad estas prótesis; el incremento de costo y tiempo en las pruebas y rediseño por el riesgo que suponen, así como otros inconvenientes como la falta de repetibilidad. Por ello, la presente tesis desarrolla el diseño de un módulo de ensayos para prótesis transtibial que permite emular condiciones de marcha en superficies planas, inclinadas y con irregularidades. Primero, se describe un marco teórico sobre el análisis cinemático y cinético de la marcha humana, así como un estado del arte referente a los módulos de ensayo existentes. Además, se presenta el diseño conceptual del módulo propuesto. Luego, se presenta el subsistema mecánico conformado principalmente por la estructura soporte, un eje lineal de husillo de bolas y una caja reductora rueda-tornillo sinfín; así como los cálculos mecánicos necesarios para su diseño, selección de componentes y una validación estructural por simulación digital. A continuación, en el diseño electrónico y de control, se presenta el diagrama de bloques, en el cual se aprecian los componentes tales como sensores y actuadores, fuentes de alimentación y controladores. Luego, se continúa con la selección de componentes y se presenta el subsistema electrónico definitivo. Después, se presenta el subsistema de control a utilizar y la lógica de funcionamiento general mediante un flujograma. Más adelante, se presenta la interfaz usuario-máquina del módulo de ensayos propuesta. Finalmente, se presenta la estructura de los planos y los costos estimados de diseño y fabricación, los cuales ascienden a S/. 51 212,76. Este diseño se diferencia de aquellos existentes en su capacidad de poder operar en distintas superficies. Gracias a este módulo, se permite prescindir de un paciente humano en una etapa inicial de diseño y fabricación, y de esa manera acelerar la etapa de rediseño, evaluar la competitividad y desempeño de prótesis transtibiales en terrenos variados encontrados en la vida diaria.Item Diseño de un sistema mecatrónico para medir el nivel de fatiga neuromuscular en deportistas utilizando el salto en contramovimiento(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-08-03) Rojas Carrasco, Ivan Alexis; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaHoy en día, es evidente el crecimiento de la práctica deportiva en el Perú. De hecho, esta actividad se ve impulsada por la infraestructura y la moderna tecnología deportiva implementada con miras a los Juegos Panamericanos Lima 2019. Sin embargo, si bien estos complejos poseen la ventaja de beneficiar a la mayor cantidad de atletas por su capacidad, la tecnología no se proyecta de la misma manera debido a la aún limitada oferta existente. Ante este panorama, resulta importante identificar una oportunidad de mejora que pueda reducir la brecha tecnológica que existe en el deporte peruano. Por esto, se propone diseñar una solución tecnológica que optimice el proceso de control de la fatiga neuromuscular (FN) durante la preparación deportiva. Sobre el control de la FN, existen alrededor de 6 métodos convencionales para medir el nivel de la fatiga. Algunos de estos, recientemente, han variado con el fin de reducir su complejidad. Prueba de ello es un nuevo estudio que ha demostrado que la altura máxima del centro de masa en el salto en contramovimiento (CMJ, por sus siglas en inglés) puede ser utilizado como una herramienta moderna y práctica para determinar el nivel de la FN. Entonces, con base en este método, se propone diseñar un sistema mecatrónico que obtenga el nivel de dispersión de la potencia mecánica máxima del CMJ, variable física directamente relacionada con la altura del centro de masa, para que se utilice como herramienta para medir el nivel relativo de la FN. Así mismo, el sistema a diseñar debe ser capaz de verificar la ejecución del CMJ. El sistema mecatrónico se compone de un subsistema que utiliza 8 celdas de carga para medir las fuerzas pie-piso y un segundo subsistema compuesto de una cámara digital para la captura de imágenes que corresponden al desarrollo del CMJ. Luego, para el procesamiento de los algoritmos que culminan en el nivel de dispersión de la potencia mecánica máxima se emplea un microcontrolador; y para el procesamiento de las imágenes que culminan en la verificación del CMJ, un mini ordenador. Al respecto, el procesamiento de imágenes comprende, principalmente, la etapa de reconocimiento de articulaciones en el espacio 2D. Para esto, se utiliza el modelo Open Pose de tipo open source, que fue elegido por su precisión (79.7 %), tiempo de detección (< 0.20 s) e implementación. La presente inicia revisando el estado del arte, luego se define la lista de requerimientos, estructura de funciones, matriz morfológica y conceptos preliminares según la norma VDI 2221. También, se revisa el diseño del sistema dentro del ámbito mecánico, eléctrico y procesamiento. Al final, se revisa la parte de costos y conclusiones.Item Diseño de un dispositivo portátil para la rehabilitación pasiva de muñeca con tres grados de libertad(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-12-16) Tribeño Alata, Edward Emill; Abarca Pino, Victoria ElizabethLa presente tesis desarrolla el diseño de un dispositivo portátil de rehabilitación pasiva de muñeca que permite al usuario realizar los movimientos de flexión/extensión, desviación radial/cubital y pronación/supinación. Además, presenta un diseño antropométrico respecto al antebrazo y muñeca de la mujer peruana, tiene como principal tecnología de fabricación la impresión 3D. En el desarrollo de ingeniería del dispositivo, se presenta el diseño mecánico del dispositivo de rehabilitación junto con el cálculo de torque necesario para realizar los movimientos de muñeca. Además, se diseña un aplicativo móvil como interfaz de comunicación entre usuario-dispositivo. Por último, se diseña un sistema de control redundante con la finalidad de alcanzar los rangos de movimiento de muñeca deseados, así como también de cuidar la integridad del usuario. El costo de producción del dispositivo es de S/2,560.00 soles, siendo este menor al precio promedio que tienen otros dispositivos comerciales de rehabilitación de muñeca de modo que posee una ventaja competitiva en el mercado.